第九章_干扰与噪声

机械电子工程原理
第九章 干扰与噪声
机械工业出版社
基本概念
干扰是指外部因素对系统施加影响而造成的随机 效果。
噪声被看作一种幅度和频率都随机变化的信号， 它们可能是系统内部电场和电磁场造成的，也可 能是材料的热效应等物理过程在电路元件内部产 生的。
机电系统工作时，往往受到外部因素的干扰，内 部也产生对外的干扰。研究这两方面问题的新兴 学科称为电磁兼容性学科。
NF=10lg(SNRin/SNRout)
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9.2 干扰的传播途径
干扰的传输途径有两种：
1）通过导体传导，也称传导传播；传导传播是通过传输导 线以电流的方式传播。
2）通过空间辐射，也称辐射传播。辐射传播主要以电磁耦 合的形式或以电磁波发射的方式传播。
工程中，这两种传播途径也简称“路”的途径和“场” 的途径。
4) 内燃机点火系统、发电机、电压调节器、电刷等。
5) 无线电发射和接收设备、移动通信系统、广播、电 视、雷达、导航设备等。
6) 高速数字电路设备、计算机、嵌入式处理器、各种 可编程序器件及其相关设备。
7) 其他：如摩擦生电，磁盘驱动器转速抖动，核爆炸
造成的电磁冲击等。
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按电磁干扰的发生机理分类
电磁兼容指两种以上设备在共同的电磁环境中能 执行各自功能的共存状态。
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电磁干扰
电磁干扰是任何可能引起装置、设备或系统性能降低 或对有生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象。
电磁干扰可能是电磁噪声、无用信号或传播介质自身 的变化所引起的。
电磁噪声是指一种并不传送信息的时变电磁现象，它 可能与有用信号叠加或组合，例如电气设备运行中经 常产生的放电噪声、浪涌噪声、振荡噪声，这些噪声 不携带任何有用信息。
人为干扰是指由电气电子设备和其它人工装置所产生 电磁干扰。这些干扰包括功能性的无用信号和非功能 性的电磁噪声。
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容易产生人为干扰的设备
1) 家用电器和民用设备：
有触点电器；使用整流子电动机的机器；家用电力半 导体器件装置。
2) 高频设备：
工业用高频设备；高频医疗设备。
3) 电力设备：
电力传动设备；晶闸管组成的变流装置；电力传输设 备；电气化铁道系统。
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9.3 干扰对敏感设备的影响
敏感度门限
设备的敏感度门限是衡量设备抗干扰能力的指标，一 台设备的敏感度门限定义为：使设备产生不希望的响 应或造成其性能降低的最小干扰电平。
一种设备的敏感度门限越低说明这种设备的抗干扰能 力越差。
工程中，每一类设备对特定的干扰源能耐受的输入信 噪比由试验测定，据此可确定该类设备对该种干扰的 敏感度门限，提出对干扰强度的限制值。或者反过来， 在既定的干扰强度下设法降低设备的敏感性。
白噪声
白噪声的特点是在很宽的频率范围上功率谱密度是个 常数。如果这个白噪声信号的幅度呈高斯分布，就称 为高斯白噪声。热噪声和散粒噪声都是高斯白噪声。
有色噪声
有些噪声的功率谱密度不是常数，这种噪声称为有色 噪声。
功率密度
白噪声
一种有色噪声
O
频率
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噪声因子
噪声因子NF用来表示系统内部产生的噪声强度。 它着眼于输入端信噪比SNRin与输出端信噪比 SNRout的比较。
外界干扰在传输线上引入的噪声对两根传输线来 说是共模信号，在其一端的两个接口采用阻抗匹 配的平衡差分式驱动器输入差分信号，可以抑止 共模干扰，并达到很高的传输速率。带有滤波器 的连接器也可克服传输线上的共模干扰。
Zs/2
Zr/2
Zs/2
Zr/2
+ ～-
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输入端隔离
输入端隔离的目的是切断信号源与输入端的回路， 使干扰电流不能流通。
降低干扰强度和降低设备对干扰的敏感性同等重 要。
在输入端可采用各种技术减少噪声干扰，如光纤 传输、隔离、改善共模抑制比、平衡输入、光电 耦合等。滤波、屏蔽和接地也是最常用的技术。
电磁感应引起的干扰比静电引起的干扰难消除得 多，当系统本身各部分的电流形成干扰磁场源的 时候消除尤其困难。
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输入端传导防护
经由“路”的途径，干扰可以通过导线传输，即通过设备 的信号线、控制线进入系统的输入端口，也可能通过电源 线、地线直接侵入敏感设备，这种干扰称为传导干扰。
经由“场”的途径，干扰源周围空间存在着的电场和磁场， 会对附近的敏感设备产生干扰，这种干扰称近场耦合干扰； 干扰能量也可能以电磁波的形式向远处传输，从而影响远 处的敏感设备，这种干扰称为远场辐射干扰。
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干扰对模拟电路的影响
为了定量描述由输入端进入的干扰对模拟设备的 影响，引入输入信噪比(SNR)的概念。
信噪比的定义是：在一个参考电阻上所通过的信 号功率与噪声功率之比。参考电阻的阻值通常是1 欧姆。 SNR=10lg(Vsig2/ en2)
式中，en为噪声电压；Vsig为信号电压。
在输入端有噪声存在时，一个系统加工、传递信 号的能力可以用输入信噪比表示。输入信噪比直 接影响到系统所能检测出的最弱信号水平。
非功能性噪声 无用信号
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按噪声的发生机理分类
热噪声 散粒噪声 闪变噪声 天体或宇宙射线噪声
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热噪声
导体内电子的热随机运动会在导体两端造成电压 随机波动。这种噪声信号的功率可表示如下
Pn＝4kTB 式中，Pn为噪声功率，单位为W；k 为波尔兹曼常数；T
为热力学温度；B为带宽。
热噪声功率Pn还可用一个等效噪声电压源或等效 噪声电流源和一个噪声电阻表示
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干扰通过导线传输到输入端口
差模电流和共模电流
干扰电流在导线上传输时有两种方式：共模方式和差 模方式。
一对导线上的电流如果大小相等，方向相反，称为差 模电流，造成差模电流的信号称为差模信号。有用信 号电流电压多已被人为地以差模方式传输。
一对导线上如果流过的电流方向相同，称为共模电流。 由于传输信号用的两条导线往往绞合在一起或平行，
隔离变压器可在低频场合使用。 光电耦合器广泛用于脉冲数字电路的隔离，但在
放电噪声
放电时回路里伴随着脉冲电流或浪涌电流，这是产生 电磁噪声的根源，同时火花和电晕本身也会向外辐射 不同频率的噪声，或在附近形成感应电磁场。
接触噪声
接触噪声是由于触点间接触电阻发生变化而产生的，
过渡现象的噪声 反射现象的噪声
反射现象指空间电磁波传播时遇到障碍物被反射并与 原信号叠加，
IDC =Is[exp(qVj/KT)－1] 式中，Is为反向漏电流；Uj为结电压。
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闪变噪声
闪变噪声又称频闪噪声、低频噪声，是由电荷载 体在不连续介质中运动所产生的，用一次函数近 似表示，闪变噪声与频率成反比，且主要在 100Hz以下。用闪变电流描述闪变噪声的公式如 下：
if2=KIDCαB(1/f)β 式中，K为常数，因器件而定；IDC为介质中的直流电流；
B为带宽；f 为频率。
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天体或宇宙射线噪声
天体或宇宙射线噪声的来源多种多样，其总声级 称为天电噪声温度。
通常天电噪声比别的噪声级低，除非系统的接收 天线之类的装置直接对准强大的天体射电源。在 微波波段天电噪声温度最低，这个波段里有一个 低噪声窗口，微波通讯就利用这个窗口。
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按噪声的频谱特点分类
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远场辐射干扰
远场又称辐射场，对于距离较远的系统间的电磁 兼容问题一般都用远场来分析。
远场的电场强度和磁场强度都以1/r的速率随距场 源的距离r减小。
远场辐射比较容易分析和测量，只需测量电场就 能算出磁场；反之，测量到磁场可以计算出电场。 干扰源向周围空间的远场辐射可以根据天线与电 波传播理论来计算。
Rn
en
in
ห้องสมุดไป่ตู้Rn
a) 等效噪声电压源
b) 等效噪声电流源
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散粒噪声
在半导体器件中有一种载流子越过势垒的随机运 动，这一随机运动导致器件输出信号里的噪声成 分。用噪声电流表示如下：
in2=2qIDCB 式中，q为电子电荷，q=1.6×10-19C；IDC为通过势垒的
电流；B 为信号带宽。
对于二极管
电磁干扰往往对两条导线作用同等，所以干扰在传输 线上常以共模方式出现。如果干扰对两条导线作用不 相等，也可以以差模方式出现。另外，共模电流会因 传输线或电路的不对称而在输入阻抗上形成差模电压 降，从而对电路造成干扰。
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差模电流和共模电流
共模电流和差模电流的等效电路如图所示
Icm1
Idm
Zs
Zr
近场感应干扰
近场又称感应耦合场。近场又区分为电场和磁场。 当干扰源是高电压、小电流时，其辐射场主要表
现为电场。当干扰源具有低电压和大电流时，其 辐射场主要表现为磁场。 在系统内部，特别是同一设备内，由于距离近， 各部分电路之间的相互干扰常用近场耦合方式处 理。 近场干扰的分析比较复杂，电场和磁场不易互相 转换，需要分别测量和计算。
改善共模抑制比的措施有：把两个输入信号分别 对地隔离；把放大器输入端调平衡；增加防护电 路和屏蔽。
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干扰通过共阻抗耦合
当多个设备或元器件共用电源线和地线时，电源 阻抗和地线阻抗就是这些设备或元器件的公共阻 抗。
设备或元器件之间会通过公共阻抗产生相互干扰。 由共用电源引入的干扰称共电源阻抗干扰，共用 地线引入的干扰称共地线阻抗干扰。
无用信号是指一些功能性的信号，例如广播、电视、 雷达等信号，本身是有用的，但如果干扰其它设备的 正常工作，则对被干扰的设备而言它们是无用信号。
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9.1 电磁干扰和噪声的分类
按电磁干扰的来源分类：电磁干扰按照其来源可 以分为自然干扰和人为干扰。
自然干扰是指各种自然界电磁现象的产生电磁干扰， 包括：大气噪声，如雷电；太阳噪声，如太阳黑子活 动时产生的磁暴；来自银河系或其它河外星系的宇宙 射线噪声；以及静电放电等。